本教程討論以數(shù)字方式調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓的方法。數(shù)字調(diào)整方法包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、微調(diào)電位器(數(shù)字電位器)和微處理器的PWM輸出。對(duì)每種方法進(jìn)行評(píng)估,并介紹幾種DAC和數(shù)字電位計(jì)。
有許多便攜式應(yīng)用通過(guò)調(diào)整DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓來(lái)優(yōu)化電路性能。例如,許多微處理器可以在低電壓下工作以節(jié)省功耗,然后在高電壓下工作以提高處理能力。在這些工作模式之間切換需要調(diào)整 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。另一個(gè)例子是液晶顯示器;當(dāng)其溫度變化時(shí),施加在其上的電壓必須改變以保持正確的對(duì)比度。
通過(guò)數(shù)字控制進(jìn)行的調(diào)整已被證明是執(zhí)行這些和其他電壓調(diào)整的最可靠方法。可以使用手動(dòng)微調(diào)鍋,但它通常很大,并且由于與手動(dòng)調(diào)整相關(guān)的磨損而存在可靠性問(wèn)題;此外,它不能在微處理器控制下進(jìn)行調(diào)整。本文討論了幾種以數(shù)字方式調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓的方法,重點(diǎn)介紹便攜式應(yīng)用器件。
不同的數(shù)字方法
對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進(jìn)行數(shù)字調(diào)節(jié)主要有三種方法:
數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)
微調(diào)電位器(數(shù)字電位計(jì))
微處理器 (MPU) 的 PWM 輸出
DAC
DAC只是一個(gè)數(shù)字控制的電壓源。DAC的數(shù)字接口可以是串行的,也可以是并行的。對(duì)于DAC更新速率相當(dāng)?shù)偷膽?yīng)用(例如DC-DC電壓調(diào)整),通常使用串行接口。它們更小,串行接口僅使用 2 或 3 根線,而并行接口則使用 8 到 16 根線。引腳越少,封裝越小,因此成本更低。
DAC需要考慮的主要規(guī)格是:
電源電壓:便攜式應(yīng)用通常需要 3V 或 5V 電源。
電源電流:低電流可延長(zhǎng)電池壽命。
輸出電壓擺幅:輸出擺幅通常為0V至V裁判(DAC的基準(zhǔn)電壓)。
分辨率位數(shù):分辨率位數(shù)決定了DAC將具有多少個(gè)調(diào)整步驟。步數(shù)等于 2N,其中“N”是DAC的分辨率位數(shù)。例如,6 位 DAC 將具有 26,或 64 步;而 8 位 DAC 將有 28或 256 個(gè)調(diào)整步驟。
注意:DAC輸出端的步長(zhǎng)是輸出電壓擺幅除以DAC步進(jìn)數(shù)。例如,MAX5361是一款6位DAC,輸出電壓擺幅為4V,步長(zhǎng)為62.5mV (4V輸出電壓擺幅/26步驟)。
錯(cuò)誤源:需要考慮多個(gè)錯(cuò)誤源:
滿量程電壓誤差:對(duì)于分辨率為<= 8位的DAC,該誤差通常最大,對(duì)整體系統(tǒng)精度的影響最大。低成本設(shè)備的誤差可能高達(dá) ±25%。但是,可以校準(zhǔn)此初始誤差。校準(zhǔn)通常在生產(chǎn)測(cè)試中進(jìn)行,或者可以使用系統(tǒng)內(nèi)ADC補(bǔ)償誤差。
失調(diào)電壓誤差:這也可能是較大的誤差源,如果太大,可以校準(zhǔn)。
微分非線性(DNL):DAC的輸出通常必須是單調(diào)的(即,增加或平坦的輸出變化以增加輸入代碼)。這需要 ±1 LSB(最大值)的 DNL。
積分非線性(INL):此規(guī)范通常足夠嚴(yán)格,因此在這些應(yīng)用中并不重要。
溫度系數(shù):輸出電壓與溫度有關(guān)。除非系統(tǒng)在溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試,否則無(wú)法在生產(chǎn)中校準(zhǔn)該誤差源,但如果其溫度漂移足夠低,則可以使用板載ADC進(jìn)行校準(zhǔn)。通常,溫度漂移足夠小,不會(huì)成為問(wèn)題。
內(nèi)部或外部基準(zhǔn)電壓源:提供帶內(nèi)部基準(zhǔn)的廉價(jià)器件。但是,如果有精確的系統(tǒng)基準(zhǔn)(即外部基準(zhǔn)),則可以使用它來(lái)提高性能。
接口類型:串行或并行。小尺寸需要串行接口。典型選擇是 SPI?我2C, SMBus?,或位敲擊。位敲擊需要使用通用I/O引腳來(lái)提供DAC所需的控制。所選接口類型取決于系統(tǒng)處理器支持的接口。
包裝尺寸:越小越好。可提供非常小的 SOT 或 SC70 封裝。
易失性或非易失性設(shè)置:大多數(shù)DAC具有易失性輸出電壓設(shè)置(即,如果斷電,它們會(huì)忘記其輸出設(shè)置)。這通常不會(huì)造成問(wèn)題,因?yàn)榇蠖鄶?shù)系統(tǒng)都有某種非易失性存儲(chǔ)器,可以與DAC結(jié)合使用。還提供非易失性DAC。這些器件在片上存儲(chǔ)器中保留DAC寄存器設(shè)置,因此即使斷電,DAC也能“記住”其輸出設(shè)置。
規(guī)格/設(shè)備 | MAX5360 | MAX5361 | MAX5363 | MAX5364 | MAX5380 | MAX5381 | MAX5383 | MAX5384 |
電源電壓 (V) | 2.7 到 3.6 | 4.5 到 5.5 | 2.7 到 3.6 | 4.5 到 5.5 | 2.7 到 3.6 | 4.5 到 5.5 | 2.7 到 3.6 | 4.5 到 5.5 |
電源電流(μA典型值) | 150 | 150 | 150 | 150 | 150 | 150 | 150 | 150 |
關(guān)斷電流(μA最大值) | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
輸出電壓擺幅 | 0V 至 V裁判 | 0V 至 V裁判 | 0V 至 V裁判 | 0V 至 V裁判 | 0V 至 V裁判 | 0V 至 V裁判 | 0V 至 V裁判 | 0V 至 V裁判 |
分辨率位 | 6 | 6 | 6 | 6 | 8 | 8 | 8 | 8 |
滿量程電壓誤差(最大值) | 10% | 10% | 10% | 10% | 10% | 10% | 10% | 10% |
滿量程誤差溫度系數(shù)(最大ppm/°C) | ±40 | ±40 | ±40 | ±40 | ±40 | ±40 | ±40 | ±40 |
失調(diào)電壓誤差(mV最大值) | ±2 | ±2 | ±2 | ±2 | ±25 | ±25 | ±25 | ±25 |
失調(diào)誤差溫度系數(shù)(典型值ppm/°C) | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
DNL(最大 LSB) | ±1 | ±1 | ±1 | ±1 | ±1 | ±1 | ±1 | ±1 |
INL(最大LSB) | ±1 | ±1 | ±1 | ±1 | ±1 | ±1 | ±1 | ±1 |
引用類型 | 2V,內(nèi)部 | 4V,內(nèi)部 | 2V,內(nèi)部 | 4V,內(nèi)部 | 2V,內(nèi)部 | 4V,內(nèi)部 | 2V,內(nèi)部 | 4V,內(nèi)部 |
接口類型 | 串行,I2C | 串行,I2C | 串行,SPI | 串行,SPI | 串行,I2C | 串行,I2C | 串行,SPI | 串行,SPI |
封裝尺寸 (SOT23) |
5 針 | 5 針 | 6 針 | 6 針 | 5 針 | 5 針 | 6 針 | 6 針 |
揮發(fā)性/非易失性 | 揮發(fā)性的 | 揮發(fā)性的 | 揮發(fā)性的 | 揮發(fā)性的 | 揮發(fā)性的 | 揮發(fā)性的 | 揮發(fā)性的 | 揮發(fā)性的 |
上電狀態(tài) | 零刻度 | 零刻度 | 零刻度 | 零刻度 | 零刻度 | 零刻度 | 零刻度 | 零刻度 |
設(shè)計(jì)示例(可調(diào)LCD輸出電壓)
在圖1的電路中,假設(shè)需要DC-DC轉(zhuǎn)換器的V。外可從低 V 開(kāi)始調(diào)節(jié)輸出(分鐘)到 V 的高點(diǎn)輸出(最大).
圖1.DC-DC 轉(zhuǎn)換器,帶 DAC 用于 V外調(diào)整。
最高的DAC輸出電壓是VDACHIGH。由于上面列出的誤差源,VDACHIGH電壓存在容差。較高的電壓是VDACHIGH(MAX),較低的電壓是VDACHIGH(MIN)。同樣,低輸出電壓具有低電壓和高壓限值,分別是VDACLOW(MAX)和VDACLOW(MIN)。
R1、R2、R3 和參考都有錯(cuò)誤,導(dǎo)致這些參數(shù)的最小值和最大值變量如下:R1MAX、R1MIN、R2MAX、R2MIN、R3MAX、R3MIN、VREF(max)、vref(min)。
LCD(VOUT)的輸出電壓可以通過(guò)以下幾點(diǎn)來(lái)計(jì)算:
VOUT = VREF + i1R1
i1 = i2 + i3
i2 = VREF/R2
i3 = (VREF - VDAC)/R3
將等式2至4代入等式1可得到:
VOUT = VREF(1 + (R1/R2)) + (VREF - VDAC) (R1/R3)
從公式5可以看出,最大輸出電壓發(fā)生在最小DAC電壓上,最小輸出電壓發(fā)生在最大DAC電壓上。
為確保實(shí)現(xiàn)所需的輸出擺幅,請(qǐng)選擇R1、R2和R3的值,以便滿足公式6和7:
VOUTMAX(LOW) = VREFMIN(1 + (R1MIN/R2MAX)) + (VREFMIN - VDACMIN(HIGH))(R1MIN/R3MAX)
VOUTMIN(HIGH) = VREFMAX(1 + (R1MAX/R2MIN)) + (VREFMAX - VDACMAX(LOW))(R1MAX/R3MIN)
等式6指的是VOUTMAX(LOW),而不僅僅是VOUTMAX。由于公式6右側(cè)的變量有容差,因此最大輸出電壓也有容差,可以從最小VOUTMAX(LOW)到最大VOUTMAX(HIGH)不等。為了確保輸出在所有可能的條件下擺幅足夠高,公式6指的是VOUTMAX的最低可能電壓,即VOUTMAX(LOW)。
同樣,在公式7中,變量都有公差,因此VOUTMIN可以從最小值(LOW)到最大值VOUTMIN(HIGH)變化。為了確保輸出擺幅在所有可能的條件下都足夠低,公式7指的是VOUTMIN的最高可能電壓,即VOUTMIN(HIGH)。請(qǐng)注意,在公式6和7中,VOUTMAX和VOUTMIN是已知值,其中VOUTMAX是所需的最大LCD輸出電壓,VOUTMIN是所需的最小輸出電壓。最小和最大DAC輸出電壓(VDACMIN和VDACMAX)可以在所用DAC的電氣特性表中找到。
類似地,在公式7中,變量都有公差,因此V奧特明可以從最小 V 值變化出差(低)最大為 V出門(mén)(高).為了確保輸出擺幅在所有可能的條件下都足夠低,公式7是指V的最高可能電壓奧特明,即 V出門(mén)(高).請(qǐng)注意,在公式6和7中,V超大和 V奧特明是已知值,其中 V超大是所需的最大LCD輸出電壓,并且V奧特明是所需的最小輸出電壓。最小和最大DAC輸出電壓(V達(dá)克明和 V最大聲程) 可以在所用 DAC 的電氣特性表中找到。
未知值為 R1、R2 和 R3。由于有三個(gè)未知數(shù)和兩個(gè)方程,因此 R1、R2 和 R3 的值有多個(gè)唯一解。選擇R1–R3值的最直接方法是使用電子表格并插入電阻值,直到滿足公式6和7。電阻值應(yīng)足夠大,以防止功率耗散過(guò)大。一個(gè)好的起點(diǎn)是選擇 DC-DC 轉(zhuǎn)換器制造商建議的 R2 值。通常,VOUTMAX將高于VOUTMAX(LOW),因?yàn)楹笳呤鞘褂米顗那闆r值計(jì)算的。使用其他極端最壞情況值(在公式6的右側(cè)用最小值代替最大值,用最大值代替最小值,用低值代替高)得到VOUTMAX的另一個(gè)極端 - VOUTMAX(高):
VOUTMAX(HIGH) = VREFMAX(1 + (R1MAX/R2MIN)) + (VREFMAX - VDACMIN(LOW)(R1MAX/R3MIN)
(注意:從等式6到等式8,VDACMIN(HIGH)更改為VDACMIN(LOW),而沒(méi)有將“MIN”項(xiàng)更改為“MAX”項(xiàng)。沒(méi)有進(jìn)行這種替換,因?yàn)榈仁?和8都引用了來(lái)自VDACMIN的VOUTMAX。
如果VOUTMAX(HIGH)超過(guò)LCD顯示屏的最大額定電壓,則必須避免導(dǎo)致輸出電壓超過(guò)LCD電壓限制的DAC代碼。有關(guān)避免這些代碼的方法,請(qǐng)參閱下面的“補(bǔ)償數(shù)字調(diào)整電路中的誤差”。
通常,VOUTMIN將低于VOUTMIN(HIGH),因?yàn)楹笳呤鞘褂米顗那闆r值計(jì)算的。使用其他極端最壞情況值(即,在公式7的右側(cè)用最小值代替最大值,用最大值代替最小值,用高電平代替低電平)導(dǎo)致VOUTMIN的另一個(gè)極端值,即VOUTMIN(LOW):
VOUTMIN(LOW) = VREFMIN(1 + (R1MIN/R2MAX)) + (VREFMIN - VDACMAX(HIGH))(R1MIN/R3MAX)
(注意:從等式7到等式9,VDACMAX(HIGH)改為VDACMAX(LOW),而沒(méi)有將“MAX”項(xiàng)更改為“MIN”項(xiàng)。沒(méi)有進(jìn)行這種替換,因?yàn)楣?和9都引用了VOUTMIN,它來(lái)自VDACMAX。
如果VOUTMIN(LOW)對(duì)于所需的操作來(lái)說(shuō)太低,則必須避免使用導(dǎo)致輸出電壓過(guò)低的DAC代碼。有關(guān)避免這些代碼的方法,請(qǐng)參閱下面的“補(bǔ)償數(shù)字調(diào)整電路中的誤差”。
修剪鍋
數(shù)字電位計(jì)是一種數(shù)字可調(diào)電阻器。它通常放置在DC-DC轉(zhuǎn)換器的反饋回路中,隨著其值的變化,轉(zhuǎn)換器的輸出電壓也會(huì)發(fā)生變化。
圖2.帶數(shù)字電位計(jì)的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器,用于 V外調(diào)整。
除了為DAC列出的重要規(guī)格(電源電壓、電源電流、DNL、INL、接口類型、封裝尺寸、易失性/非易失性設(shè)置)外,微調(diào)電位器還增加了以下關(guān)鍵規(guī)格:
端到端電阻:電位計(jì)電阻通常在0Ω到產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中“端到端電阻”規(guī)格給出的最大值之間變化。該值通常有很大的容差(參見(jiàn)下面的“數(shù)字調(diào)整電路中的誤差補(bǔ)償”)
游標(biāo)電阻:這最終決定了電位計(jì)的最低電阻值。
工作電壓范圍:施加到微調(diào)電位器的高端、低端和游標(biāo)的電壓不得超過(guò)微調(diào)電位器的工作電壓范圍
步數(shù):數(shù)字電位計(jì)上的步進(jìn)通常是線性或?qū)?strong>數(shù)的。對(duì)于LCD調(diào)整,需要進(jìn)行線性調(diào)整。將端到端電阻除以步數(shù)可確定步長(zhǎng)。例如,MAX5161NEZT為32級(jí)數(shù)字電位器,端到端電阻為200kΩ。將200kΩ分頻32步,每步得到6.25kΩ。
錯(cuò)誤來(lái)源:
端到端電阻初始精度:此誤差源通常最大,對(duì)整體系統(tǒng)精度的影響最大。數(shù)字電位計(jì)的初始誤差可能高達(dá)±25%。必須校準(zhǔn)此初始誤差。校準(zhǔn)通常在生產(chǎn)測(cè)試中進(jìn)行,或者系統(tǒng)內(nèi)ADC可以對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償(如果有的話)。參見(jiàn)下面的圖4和圖5以及“補(bǔ)償數(shù)字調(diào)整電路中的誤差”。
游標(biāo)電阻初始精度:這通常規(guī)定得非常寬松,因?yàn)?strong>游標(biāo)電阻通常小于一個(gè)步的大小。該誤差源可以通過(guò)使用下面的“數(shù)字調(diào)整電路中的誤差補(bǔ)償”中的方法進(jìn)行補(bǔ)償。
端到端電阻的溫度漂移:端到端電阻具有溫度依賴性。該誤差源通常不會(huì)在生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn),除非系統(tǒng)在溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。但是,如果系統(tǒng)ADC在整個(gè)溫度范圍內(nèi)足夠穩(wěn)定,則可用于補(bǔ)償溫度誤差。雖然,溫度漂移通常足夠小,以免成為問(wèn)題。
規(guī)格/設(shè)備 | MAX5160 | MAX5161 | MAX5400 | MAX5401 | MAX5460 | MAX5463 | MAX5466 |
電源電壓 (V) | 2.7 到 5.5 | 2.7 到 5.5 | 2.7 到 5.5 | 2.7 到 5.5 | 2.7 到 5.5 | 2.7 到 5.5 | 2.7 到 5.5 |
工作電壓 (V) | 2.7 到 5.5 | 2.7 到 5.5 | 2.7 到 5.5 | 2.7 到 5.5 | 2.7 到 5.5 | 2.7 到 5.5 | 2.7 到 5.5 |
電源電流(μA典型值) | 0.135 | 0.135 | 0.1 | 0.1 | 0.07 | 0.07 | 0.07 |
端到端電阻 (kΩ ) |
3個(gè)版本: N: 200 M: 100 L: 50 |
3個(gè)版本: N: 200 M: 100 L: 50 |
50 | 100 | 100 | 50 | 10 |
游標(biāo)電阻(典型值/最大值Ω) | 40/1700 | 400/1700 | 250/800 | 250/800 | 600/1200 | 600 /1200 | 160/240 |
步數(shù) | 32 | 32 | 256 | 256 | 32 | 32 | 32 |
端到端電阻 初始精度(最大值) |
±25% | ±25% | ±25% | ±25% | ±25% | ±25% | ±25% |
端到端電阻的溫度漂移(典型值為ppm/°C) | 50 | 50 | 50 | 50 | 35 | 35 | 35 |
DNL(最大 LSB) | ±1 | ±1 | ±1/2 | ±1/2 | ±1 | ±1 | ±1 |
INL(最大LSB) | ±1/2 | ±1/2 | ±1/2 | ±1/2 | ±1 | ±1 | ±1 |
接口類型 | 串行:上/下 | 串行:上/下 | 串行,SPI | 串行,SPI | 串行:上/下 | 串行:上/下 | 串行:上/下 |
包裝尺寸 |
6-pin SOT23, 8-電池 μMAX |
6-pin SOT23, 8-電池 μMAX |
8 針 SOT23 | 8 針 SOT23 |
5-電池 SC70, 5 電池 SOT23 |
5-電池 SC70, 5 電池 SOT23 |
5-電池 SC70, 5 電池 SOT23 |
揮發(fā)性/非易失性 | 非易失性 | 非易失性 | 非易失性 | 非易失性 | 非易失性 | 非易失性 | 非易失性 |
上電狀態(tài) | 中檔 | 中檔 | 中檔 | 中檔 | 中檔 | 中檔 | 中檔 |
設(shè)計(jì)示例
參考圖 2,并使用與 DAC 示例中類似的命名約定,通過(guò)檢查可以看出:
VOUT = VREF × (1 + R1/(R2 + R3))
請(qǐng)注意,R3是數(shù)字電位計(jì),其值可以從R3更改。高到 R3低.與 DAC 一樣,這些項(xiàng)也有最小值和最大值。這導(dǎo)致 R3高(分鐘)和 R3高(最大),以及 R3低(最小)和 R3低(最大).這些值可以從所選數(shù)字電位計(jì)的數(shù)據(jù)手冊(cè)中獲得。
使用上述相同方法可以計(jì)算出等式6-9中的類似值(參見(jiàn)下面的等式11-14)。使用下面“補(bǔ)償數(shù)字調(diào)整電路中的誤差”中所示的方法可以避免某些代碼。
VOUTMAX(LOW) = VREFMIN × (1 + R1MIN/(R2MAX + R3LOW(MAX)))
VOUTMIN(HIGH) = VREFMAX × (1 + R1MAX/(R2MIN + R3HIGH(MIN)))
VOUTMAX(HIGH) = VREFMAX × (1 + R1MAX/(R2MIN + R3LOW(MIN)))
VOUTMIN(LOW) = VREFMIN × (1 + R1MIN/(R2MAX + R3HIGH(MAX)))
脈寬調(diào)制輸出
許多微處理器具有PWM輸出。這些是數(shù)字輸出,其中調(diào)整輸出的占空比以改變平均輸出電壓。通過(guò)在PWM輸出端放置一個(gè)低通輸出濾波器來(lái)獲得“DC”電壓。PWM輸出的占空比是輸出保持高電平的時(shí)間與PWM輸出周期的百分比。許多微處理器允許同時(shí)選擇PWM頻率和PWM占空比。例如,MC68VZ328微處理器提供16位和8位PWM輸出。位數(shù)決定了PWM輸出的調(diào)整步長(zhǎng)數(shù)。8 位足以進(jìn)行 DC-DC 轉(zhuǎn)換器電壓調(diào)整,提供 256 級(jí) PWM 調(diào)整,從 0% 占空比到 100% 占空比。
圖3.帶 PWM 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器,用于 VOUT 調(diào)節(jié)。
PWM輸出提供了最便宜的電壓調(diào)整方法,因?yàn)榇蠖鄶?shù)微處理器至少有一個(gè)PWM輸出。雖然價(jià)格低廉(因?yàn)樗鼈儙в形⑻幚砥鳎玃WM輸出在功耗方面成本高昂,因?yàn)樗鼈兺ㄟ^(guò)提供隨后被濾波的高頻輸出來(lái)產(chǎn)生“DC”電平。PWM輸出級(jí)的高頻開(kāi)關(guān)比低功耗DAC或數(shù)字微調(diào)電位器消耗更多的功率,這兩種方法本質(zhì)上都是直流的。在圖3中,PWM交流波形的濾波由R4-C1組合提供。R3用于隔離C1,使其不影響R1-R2反饋環(huán)路的交流性能。
PWM輸出本質(zhì)上是不準(zhǔn)確的,因?yàn)樗鼈兊妮敵鲭妷菏菙?shù)字電平VOH和VOL的函數(shù)。由于 VOH 和 VOL 是數(shù)字輸出電壓規(guī)格,因此它們的指定非常寬松(VOH 可以是 VOH min 和 VCC(微處理器的 I/O 電源)之間的任何值;VOL 可以介于 VOL max 和 GND 之間)。而且,由于這些數(shù)字電平通常是VCC的函數(shù),因此它們會(huì)隨著處理器電源電壓的變化而變化。
PWM 輸出的重要規(guī)格是:
VOH 和 VOL:每個(gè)電平(或范圍)的指定電平(或范圍)以及占空比決定了 PWM 輸出的標(biāo)稱 (DC) 輸出電壓。
占空比:范圍和精度都很重要。占空比決定了輸出在VOH的時(shí)間百分比,以及VOL的時(shí)間百分比。
PWM頻率:頻率很重要,因?yàn)橐杏茫琍WM輸出必須由低通濾波器濾波。PWM頻率用于計(jì)算PWM紋波的衰減(PWM輸出從VOH擺幅到VOL,為了用于調(diào)整DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出,必須將該AC方波轉(zhuǎn)換為低紋波“DC”信號(hào))。
自 V老和 V哦PWM輸出非常寬松,實(shí)際上最適合用于閉環(huán)系統(tǒng),例如LCD控制或音頻音量控制,其中絕對(duì)精度并不重要。在這些情況下,用戶只需根據(jù)需要增加或減少電壓。然而,由于PWM輸出造成的不準(zhǔn)確性,必須進(jìn)行一些測(cè)量,以確保PWM信號(hào)永遠(yuǎn)不會(huì)引起足夠高的輸出電壓,從而損壞其他電路。該測(cè)量可以在生產(chǎn)測(cè)試中通過(guò)測(cè)量PWM在某些參數(shù)(溫度,電源負(fù)載等)上的輸出電壓來(lái)完成。或者,也可以通過(guò)使用ADC測(cè)量LCD輸出電壓,并通過(guò)軟件將LCD電壓保持在范圍內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)(參見(jiàn)下面的“數(shù)字調(diào)整電路中的誤差補(bǔ)償”)。
設(shè)計(jì)示例
參考圖3和圖1,并使用與DAC示例類似的命名約定,可以通過(guò)在公式5中使用以下替換來(lái)計(jì)算輸出電壓(VOUT):用R3 + R4代替R3;并將 VPWM = D × VOH + (1 - D) × VOL 替換為 VDAC。VPWM是PWM的平均輸出電壓,D是PWM的占空比(以%)為單位,VOH是輸出電壓高壓,VOL是輸出低壓。
VOUT = VREF(1 + (R1/R2)) + (VREF - D × VOH + (1 - D) × VOL)(R1/(R3 + R4))
請(qǐng)注意,D 的值可以從 DHIGH 更改為 DLOW(通常為 100% 更改為 0%,以離散增量)。占空比具有容差(盡管處理器數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常未指定),這會(huì)導(dǎo)致 DHIGH(MAX)、DHIGH(MIN)、DLOW(MAX) 和 DLOW(MIN)。數(shù)字輸出電壓VOH和VOL也有容差,導(dǎo)致VOH(MIN)、VOH(MAX)、VOL(MIN)和VOL(MAX)。
可以計(jì)算出與等式6-9相同的值(參見(jiàn)下面的等式16-19)。使用下面“補(bǔ)償數(shù)字調(diào)整電路中的誤差”中所示的方法,可以避免導(dǎo)致輸出電壓超過(guò)最大所需電壓的占空比值(類似于DAC或微調(diào)電位器的數(shù)字代碼)。
VOUTMAX(LOW) = VREFMIN(1 + (R1MIN/R2MAX)) + (VREFMIN - DLOW(MAX) × VOH(MIN) + (1 - DLOW(MAX)) × VOL(MIN))(R1MIN/(R3 + R4)MAX)
VOUTMIN(HIGH) = VREFMAX(1 + (R1MAX/R2MIN)) + (VREFMAX - DHIGH(MIN) × VOH(MAX) + (1 - DHIGH(MIN)) × VOL(MAX))(R1MAX/(R3 + R4)MIN)
VOUTMAX(HIGH) = VREFMAX(1 + (R1MAX/R2MIN)) + (VREFMAX - DLOW(MIN) × VOH(MAX) + (1 - DLOW(MIN)) × VOL(MAX))(R1MAX/(R3 + R4)MIN)
VOUTMIN(LOW) = VREFMIN(1 + (R1MIN/R2MAX)) + (VREFMIN - DHIGH(MAX) × VOH(MIN) + (1 - DHIGH(MAX)) × VOL(MIN))(R1MIN/(R3 + R4)MAX)
補(bǔ)償數(shù)字調(diào)整電路中的誤差
有兩種常用方法可以克服用于調(diào)整DC-DC轉(zhuǎn)換器的數(shù)字電路的不準(zhǔn)確性(見(jiàn)圖4和圖5)。兩者都涉及使用ADC測(cè)量DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓,并使用該測(cè)量值來(lái)補(bǔ)償數(shù)字調(diào)整電路和DC-DC轉(zhuǎn)換器的初始誤差。
圖4.生產(chǎn)測(cè)試中DC-DC轉(zhuǎn)換器和數(shù)字調(diào)整電路的測(cè)量誤差。
圖5.測(cè)量DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出和帶板載ADC的數(shù)字調(diào)整電路。
一種方法使用系統(tǒng)板上的ADC(圖4),而另一種方法在生產(chǎn)測(cè)試設(shè)備上使用ADC(圖5)。每種方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
在 系統(tǒng) 板 上 使用 ADC 的 好處 是 在 生產(chǎn) 測(cè)試 中 不需要 單獨(dú) 執(zhí)行 步驟。此外,如果ADC在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持精確,則可以補(bǔ)償數(shù)字調(diào)整電路和DC-DC轉(zhuǎn)換器中固有的溫度漂移誤差。然而,使用系統(tǒng)ADC要求板載ADC足夠精確,并且具有備用通道。
在系統(tǒng)主板上使用ADC時(shí),有兩種常用方法。第一種方法是在每次更改輸出代碼時(shí)測(cè)量DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。通過(guò)監(jiān)控輸出電壓,可以避免導(dǎo)致輸出電壓超出所需范圍的代碼。
第二種方法需要測(cè)量DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出,通常在首次向器件供電時(shí)測(cè)量。輸出電壓是在應(yīng)用幾個(gè)不同代碼的情況下測(cè)量的,允許確定初始誤差,例如失調(diào)和滿量程誤差(對(duì)于ADC)、滿量程電阻(對(duì)于微調(diào)電位器)或V哦和 V老(對(duì)于 PWM 信號(hào))。了解這些初始誤差后,可以使用算法來(lái)避免那些會(huì)導(dǎo)致輸出電壓超出所需范圍的代碼。
當(dāng)使用生產(chǎn)測(cè)試設(shè)備測(cè)量調(diào)整電路和DC-DC轉(zhuǎn)換器的誤差時(shí),應(yīng)采用第二種補(bǔ)償方法(上圖)。使用生產(chǎn)測(cè)試設(shè)備的好處是這種方法不需要系統(tǒng)ADC。此外,測(cè)試設(shè)備上的測(cè)量電路可能非常昂貴(準(zhǔn)確、精確等),而不會(huì)顯著增加最終產(chǎn)品的成本,因?yàn)樗某杀痉稚⒃跍y(cè)試設(shè)備的整個(gè)生命周期內(nèi),而系統(tǒng)板ADC的成本內(nèi)置在每個(gè)單元中。而且,如果器件在溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試,也可以消除溫度誤差。但溫度測(cè)試通常過(guò)于昂貴,通常不需要。
過(guò)壓?jiǎn)栴}
許多DAC的功率高達(dá)零電平,這導(dǎo)致V外達(dá)到最大值,如圖1的應(yīng)用電路所示(見(jiàn)公式5)。如果 V最大(高)(公式8)超過(guò)LCD電源的工作電壓范圍,在DC-DC轉(zhuǎn)換器上電之前,DAC輸出必須提高到不允許DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出過(guò)高的值。一種方法是保持DC-DC轉(zhuǎn)換器斷電,直到DAC輸出調(diào)整完畢。另一種方法是選擇上電至中間電平的DAC,這樣過(guò)壓?jiǎn)栴}就不是問(wèn)題。
同樣,對(duì)于PWM,請(qǐng)確保在LCD DC-DC轉(zhuǎn)換器上電時(shí)其輸出未設(shè)置為零;這種情況會(huì)導(dǎo)致V最大(高)以超出LCD器件的限制(參見(jiàn)圖3和公式18)。
許多數(shù)字電位計(jì)的功率高達(dá)半量程,這是DC-DC轉(zhuǎn)換器調(diào)整的良性狀態(tài)。但是,如果通電到半量程會(huì)導(dǎo)致 V最大(高)為了超過(guò)LCD器件的限制(參見(jiàn)圖2和公式13),則必須保持DC-DC轉(zhuǎn)換器關(guān)閉狀態(tài),直到電位計(jì)設(shè)置為更高的值。
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